图 1：无人驾驶车辆示例：送货机器人、多旋翼无人机、水下机器人。.
所有这些设备都面临着共同的挑战。其中最重要的是确保安全运行，避免与人员或物体碰撞，以及发生失控的空中事故。这些飞行器必须轻巧但动力强劲，能够承载尽可能重的有效载荷并实现长时间运行。
虽然在许多情况下有效载荷很小，但每种应用可能需要不同的传感器、机械臂或监控设备配置。制造商可以通过使用灵活的模块化平台以及商用设备来应对这一挑战，从而根据具体需求实现快速且经济高效的部署。
这些无人飞行器的供电方式取决于应用和所需的运行时间。对于短程作业，通常使用电池或超级电容器；现代燃料电池可以延长运行时间；而对于远程作业，则使用内燃机或通过电缆供电。
考虑到所有这些参数，为这些飞行器的电子设备供电成为确保安全、预期运行时间和高有效载荷能力的关键因素。电源电压各不相同，许多有效载荷需要特定的供电电压。本文将介绍 Electronica OLFER 产品系列中的 P-DUKE 电源模块如何实现极其灵活且模块化的电源解决方案。
这些车辆（无论是空中、陆地还是水下）的机载架构非常相似，均由电源、用于各种负载的 DC-DC 转换器、速度控制器和推进电机组成（图 2）。
图 2：无人机 (UAV) 基本电源架构 - 简化框图
在大多数应用中，推进电机直接由电源供电，以避免额外的转换损耗。许多情况下会使用电池组，所需的电压和容量取决于系统的大小和最大功率。为了避免额外的转换损耗，电机通常直接由电池供电，而系统的其他部分则需要稳定的电压。
对于无人机（UAV），通常串联3.7V锂聚合物电池，标称电压范围从3s = 11.1V到16s = 59.2V（其中“s”代表串联的电池节数）。为了延长飞行时间，可以使用燃料电池。
现代仓库机器人，无论是自主式（无人机）还是自动式（无人地面车辆），都配备了锂离子电池或磷酸铁锂电池，标称电压范围从小型系统的约24V到重型应用（例如叉车）的100V以上。
在无人机 (UAV) 应用中，哪些类型的 DC/DC 转换器适用于不同的电源？
广泛的电源电压范围给寻求灵活模块化电源解决方案的设计人员带来了真正的挑战，这些方案可用于各种应用。P-DUKE 和 OLFER Electronics 提供全面的 DC/DC 转换器产品组合，以满足这些需求，其输入电压范围为 9V 至 75V 和 14V 至 160V，单路或双路输出范围为 3.3V 至 48V，功率范围为 10W 至 200W。这些产品还适用于无人机有时运行的恶劣环境。
为了最大限度地提高有效载荷能力以及货物和安全设备的空间，所有其他组件都必须尽可能轻巧紧凑。这也是在内部电源链中使用高效紧凑型 DC/DC 转换器的另一个原因。效率对整体重量有显著影响，因为更低的损耗需要更小的散热器。使用模块化电源方案而非集中式电源方案的优势在于，转换器和散发的热量可以分布在整个系统中，靠近负载，从而简化散热管理。P
-DUKE 的转换器体积小、重量轻，可以轻松设计出适用于各种应用中不同电源的单一解决方案。如果需要额外的负载电压怎么办？很简单：只需添加另一个 DC/DC 模块，或者用同一系列的即插即用型模块替换现有模块，一切就绪！
我们来看几个例子：
• 智能灵活工厂：这类工厂需要能够在生产车间或仓库内自主导航和运输货物的车辆。这些车辆使用激光和摄像头进行导航，并直接与制造系统和其他机器人通信。自主车辆几乎可以自由移动，而无人引导车辆（UGV）则沿着预先设定的路线行驶，该路线由视觉标记、磁带、物体识别和里程计数据确定。
主要挑战：安全运行至关重要，因为这些动力强劲且重量级的车辆必须在任何情况下都能检测到人员或其他障碍物。此次自动驾驶之旅的实现得益于摄像头、传感器、激光和物体识别技术的显著进步。.
• 电源架构：与图 1 类似，用于提升和移动运输货物的功率较大的电机通常直接由电池供电。电池充电采用有线或无线方式。.
• 应用示例：如图 3 所示，制造商的目标是根据所需功率和负载，使用标称电压为 24V 或 48V 的电池。对于自动驾驶，车辆的车载计算机需要处理来自商用摄像头和激光雷达的信息。许多工业设备虽然已经具备更宽的供电电压范围，但仍然无法兼容 24V 和 48V 电池。以下是一些功率范围从 4W 到 10W 的不同激光雷达系统示例。.
因此，CPU、摄像头、激光雷达和其他12V设备均采用12V总线供电，必要时，下游小型转换器可产生5V或3.3V电压。使用隔离式转换器可防止噪声耦合到敏感传感器。请访问www.olfer.com查看HAE150W系列（12V）、UDH03和PDL12W系列（5V）以及OSR03系列（3.3V）。
图3所示为无人自主车辆（用于自动化仓库的驾驶机器人）的框图。
在低功率应用中，如果运行时间短、间歇性强且需要快速充电，超级电容器可能是一个可行的选择。它们的能量密度较低，但新技术似乎已经能够达到与镍氢电池相近的水平。超级电容器的优势在于不含任何有害物质，且内阻远低于电池，因此可以承受比电池更高的峰值电流。电池的寿命通常只有 2000 到 5000 次充放电循环，而超级电容器可以充放电超过 100 万次而不会出现明显的性能衰减。它们还可以在极低的温度下工作，例如在食品或冷冻仓库中。与
电池在放电过程中保持近乎恒定的电压不同，超级电容器的电压会显著下降。以下示例适用于总功耗为 100W、两次充电循环之间最大运行时间为 60 秒的小型机器人。
能量计算：
E = P * t = 100W * 60s = 6kJ = 1.67Wh
电容器组最大电压：48V 最小电压：12V
所需容量：
通过将十七个 3V/100F 超级电容器串联，可以在最大标称电压 51V 下达到所需的电容值。
图 4 显示了该超级电容器方案与标准 48V 电池的放电曲线对比。
图 4 显示了超级电容器与电池的放电曲线。.
虽然超级电容器的价格肯定比电池贵，但超级电容器组可以在运行过程中几秒钟内完成充电，从而使机器人能够24小时不间断运行。考虑到电池寿命和更换故障电池的成本差异，从长远来看，超级电容器方案更经济。.
为了覆盖电容器的宽电压范围（12V 至 48V），需要一个转换器。没问题！P-DUKE 提供一款输入电压范围为 9V 至 75V、输出功率为 100W 的转换器。请参阅 QAE100U 系列。.
图 5：采用超级电容器供电解决方案的机器人的典型供电架构。.
最后一个例子是一款飞行时间超过四小时的小型无人直升机系统，需要燃油发动机驱动。与图 1 所示不同，该直升机的旋翼由发动机直接驱动，发动机同时为飞行控制系统提供典型的 28V 飞机电压。该直升机可能配备红外/光学云台、各种传感器、激光雷达、3D 地图和地理定位系统以及许多其他需要稳定 12V 电源、总功率达 170W 的设备。
所需的 28V 转 12V DC/DC 转换器必须轻巧，能够在低至 -40°C 的环境温度下工作，并能承受旋翼产生的冲击和振动带来的高应力。IP67 防护等级和完全屏蔽电磁干扰 (EMI) 的要求使得所有电子元件都必须采用密封机箱，因此电源转换器需要采用传导冷却。
理想的解决方案是 P-DUKE HAE200W 半封闭式逆变器（图 6）。这款逆变器可在16.5至75V的输入电压范围内工作，即使在低至-40°C的环境温度下也能正常工作。其金属底座可实现直升机机身的传导冷却。得益于硅胶封装，它符合军用标准规定的冲击和振动要求。该逆变器重量仅为105克，不到直升机总重量的0.5%。此外，其最大输出功率为212W，即使面对额外的负载或峰值负载，也能提供充足的余量。
图 6：无人直升机系统的简化动力链。.
遥控单元可由 12V 电池供电，也可由船舶或陆地车辆的 28V 军用电源（16V 至 50V 范围）供电。射频放大器需要强大的 28V 电源，因此选择该电压作为主总线电压。P-DUKE QAE100U 系列的 100W 转换器（输入范围为 9V 至 75V）产生该 28V 总线电压，而下游的低功率 P-DUKE 转换器则为遥控单元内部提供必要的供电电压（图 7）。.
图 7：遥控单元框图。.
每种无人机应用都可能面临不同的挑战和需求。本文将重点介绍电源供应链中的一些关键要素，这些要素在大多数情况下都具有共同的要求：体积小、重量轻、效率高、可靠性强，但更重要的是，它们还需具备灵活性、模块化和易用性。
最终，设计人员需要一个能够提供必要产品组合并帮助客户找到满足其特定需求的最佳解决方案的合作伙伴。P-DUKE 和 OLFER Electronics 正是您需要的合作伙伴。
作者：P-DUKE市场部。
翻译：OLFER电子市场部。
